Multi-processador integrado em FPGA para sistemas embutidos

Abstract

Devido à espectacular evolução da tecnologia microelectrónica ao longo das últimas décadas, actualmente é possível a construção de circuitos integrados extremamente complexos, contendo centenas de milhões de transístores. Este facto tornou o conceito de sistema integrado uma realidade. Uma das consequências da evolução da tecnologia foi a sofisticação dos dispo- sitivos lógicos programáveis como as FPGAs. Tais dispositivos facilitam a construção de sistemas complexos integrados, com a vantagem de tornar o desenvolvimento mais flexível e possibilitarem a prototipagem rápida. A crescente capacidade computacional e a redução do tamanho dos sistemas integrados levou a que estes passassem a estar embutidos em muitos dos equipamentos e aplicações do quotidiano, tais como, os transportes, a au- tomação industrial, as telecomunicações, entre outras. Mas o vasto leque de aplicabilidade dos sistemas embutidos exige requisitos computacionais muito distintos, desde sistemas simples com um microcontrolador até sistemas complexos multi-processador com várias tarefas de uma aplicação a correrem em paralelo. O desenvolvimento de um sistema embutido passa pela concepção do hardware e software necessários à aplicação alvo. A Xilinx disponibiliza a ferramenta de desenvolvimento EDK (Embedded Development Kit), que permite a construção completa de um sistema embutido especializado em FPGA. O EDK possibilita a construção de sistemas integrados uniprocessador ou multi-processador, dependendo da capacidade computacional exigida pela aplicação. A construção do sistema integrado realiza-se pela adição consecutiva de núcleos de propriedade intelectual disponibilizados pelo EDK. Entre estes núcleos encontra-se o processador sintetizável MicroBlaze, barramentos de interligação, módulos de entrada/saída, módulos de comunicação e sincronização para sistemas multi-processador, etc. A ferramenta não possui no entanto, nenhum tipo de microcontrolador com baixos requisitos de recursos de implementação que possa ser adicionado ao sistema. Um microcontrolador é uma solução compacta, de baixo custo e tipicamente orientada para a implementação de uma aplicação de controlo. De entre muitos, o microcontrolador PicoBlaze destaca-se. O PicoBlaze está optimizado para as FPGAs da Xilinx e por isso requer uma quantidade muito reduzida de recursos de implementação, pode ser completamente embutido em FPGA e combina desempenho com área ocupada de forma interessante. A importação do PicoBlaze para a ferramenta EDK sob a forma núcleo de propriedade intelectual utilizável, permitiria adquirir todas as vantagens a ele inerentes, na construção de sistemas integrados. O principal objectivo deste trabalho foi assim o desenvolvimento de uma arquitectura flexível e escalável que permitisse a comunicação e a sincronização entre o microcon- trolador PicoBlaze e o processador MicroBlaze da Xilinx. A interface FSL (Fast Simplex Link) da Xilinx permite estabelecer a comunicação entre dois núcleos, através de um par de canais ponto-a-ponto dedicados. A comunicação da arquitectura MicroBlaze-PicoBlaze realiza-se através desta interface, tirando partido do processador MicroBlaze suportar nativamente até 16 pares de canais FSL. Este facto possibilita, que um pro- cessador MicroBlaze comunique com até 16 microcontroladores PicoBlaze distintos. A ferramenta da Xilinx ISE ( Integrated Synthesis Environment) permitiu modelar, sintetizar e simular a interface FSL do PicoBlaze e todas as funcionalidades inerentes á arquitectura desenvolvida. Este novo módulo foi chamado de unidade de processamento PicoBlaze. De forma a avaliar as funcionalidades da arquitectura MicroBlaze-PicoBlaze, a unidade de processamento PicoBlaze foi importada para a ferramenta EDK, ficando disponível na forma de núcleo de propriedade intelectual utilizável. Posteriormente procedeu-se á construção do sistema integrado multi-processador MicroBlaze-PicoBlaze, que para além do processador MicroBlaze, e da unidade de processamento PicoBlaze, reúne um conjunto de periféricos, dispositivos entrada/saída e memória. Este sistema permitiu testar o funcionamento da arquitectura na FPGA. A arquitectura multi-processador MicroBlaze-PicoBlaze é flexível e es- calável, podendo ser utilizada em diversas aplicações embutidas com diferentes requisitos computacionais. As ferramentas de desenvolvimento da Xilinx (o ISE e o EDK) permitem adaptar e especializar a arquitectura á aplicação alvo desejada. Um exemplo de um sistema embutido concreto de aplicação da arquitectura é um switch ethernet. Este sistema é composto por diversos módulos, cujas funcionalidades podem ser repartidas por vários elementos de processamento, de forma a simplificar a implementação do sistema. A motivação final deste trabalho residiu em desenvolver um módulo gestor de memória dinâmica integrado em FPGA para um switch ethernet, explorando a potencialidade da arquitectura MicroBlaze-PicoBlaze nas fun- cionalidades do switch. O desenvolvimento deste módulo é apenas uma aplicação de demonstração, e insere-se dentro de um projecto amplo que visa o desenvolvimento completo de um switch ethernet para redes com características de tempo-real.

ABSTRACT: Due to the great development of microelectronics technology over the recent decades, today it is possible the construction of extremely complex integrated circuits, containing several hundred millions of transistors. This made the System-on-Chip concept a reality. One of the consequences of the evolution of technology was the provision of complex logic devices such as reconfigurable FPGAs. Such devices facilitate the construction of complex Systems-on-Chip with the advantage of make the development more flexible and to allow the rapid prototyping. The increasing computational capacity and the size reduction of System-on-Chip led the microprocessors to be embedded in many of the equipment and applications in everyday life, such as, transportation, industrial automation, telecommunications, among others. But the wide range of applicability of embedded systems requires very diferent computing requirements, from simple systems with a microcontroller to complex multi-processor systems with multiple application tasks running in parallel. The development of an embedded system consists of the design of the hardware and software necessary to implement the application target. Xilinx provides the development tool EDK (Embedded Development Kit) that allows the construction of a complete and specialized embedded system built in FPGA. The EDK allows the construction of uni-processor systems-on-chip or multi-processor systems-on-chip, depending on the computational capacity required by the application. The construction of the system-on-chip is made by the addition of intellectual property cores provided by the EDK. Among these cores is the synthesizable MicroBlaze processor, buses for interconnection, input/output modules, modules for communication and synchronization of multi-processor systems, and so on. The tool doesn't have however, any type of microcontroller with low resource requirements of implementation that can be added to the system. A microcontroller is a compact solution, inexpensive and typically oriented for the implementation of an application control. Among many, the micro- controller PicoBlaze stands out. The PicoBlaze is optimized for the Xilinx FPGAs and therefore requires a very small amount of implementation re- sources, can be fully embedded in FPGA and combines performance with resources in an interesting form. Importing PicoBlaze to EDK tool in the form of usable intellectual property core, would allow to acquire all the advantages inherent to it, in the construction of systems-on-chip. The main purpose of this work was to develop a flexible and scalable architecture that provides communication and synchronization between the PicoBlaze microcontroller and the MicroBlaze processor of Xilinx. The Xilinx FSL (Fast Simplex Link) interface allows to establish the communication between two cores, through a pair of dedicated point-to-point channels. The communication of the MicroBlaze-PicoBlaze architecture takes place through this interface, taking advantage of the MicroBlaze processor supports natively up to 16 pairs of FSL channels. This fact makes possible, that a MicroBlaze processor communicates with up to 16 distinct PicoBlaze microcontrollers. The Xilinx ISE (Integrated Synthesis Environment) tool allowed to model, to synthesize and to simulate the interface of the FSL PicoBlaze and all the inherent features of the architecture developed. This new module was called PicoBlaze processing unit. In order to evaluate the features of the MicroBlaze-PicoBlaze architecture, the PicoBlaze processing unit was imported into the EDK tool, being available in the form of usable intellectual property core. Later it was performed the construction of the MicroBlaze-PicoBlaze multi-processor system-on-chip, which in addition to the MicroBlaze processor, and the PicoBlaze processing unit, it combines a set of peripherals, input/output devices and memory. This system allowed to test the functioning of the architecture in the FPGA. The MicroBlaze-PicoBlaze multi-processor architecture is flexible and sca- lable, being able to be used in diverse applications with diferent computational requirements. The development Xilinx tools (the ISE and the EDK) allow to specialize the architecture to the target application. An example of a concrete embedded system of the architecture application is an ethernet switch. This system is composed of diverse modules, whose functionalities can be distributed by several processing units, in order to simplify the system implementation. The final motivation of this work was to develop a dynamic memory manager integrated in FPGA to an ethernet switch, exploring the potentiality of the MicroBlaze-PicoBlaze architecture in functionalities of the switch. The development of this module is only an application of demonstration, and fits into a broader project that aims to develop a complete ethernet switch for networks with real-time features.